CC BY
3хничеСКие науки
УДК 626:824
АНАЛИЗ ПОВОРОТНЫХ СООРУЖЕНИИ НА КАНАЛАХ-БЫСТРОТОКАХ ГОРНО-ПРЕДГОРНОЙ ЗОНЫ
АДЖЫГУЛОВА Гульмира Сагыналиевна, канд. техн. наук, докторант кафедры гидротехнического строительства и водных ресурсов, Кыргызско-Российский Славянский университет, gulmira_999@mail.ru
АТАМАНОВА Ольга Викторовна, д-р техн. наук, профессор, Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А., O_V_Atamanova@mail.ru
Целью настоящей работы являлось изучение существующих поворотных сооружений для быстротечных каналов с бурным течением. Наличие каналов-быстротоков получило значительное распространение в горно-предгорной зоне Кыргызской Республики, где развито орошаемое земледелие. Скорости потока в каналах-быстротоках превышают критические значения, что вызывает сложность поворота такого потока в канале. Каналы-быстротоки оснащаются множеством поворотных сооружений с углом поворота от 10° до 90°. Конструкции по воротных сооружений на каналах-быстротоках классифицируют по конструктивным признакам. В работе проведен анализ существующих конструкций поворотных сооружений для быстротечных каналов. Приведены схемы наиболее оригинальных конструкций. Выявлены достоинства и недостатки существующих поворотных сооружений на каналах-быстротоках, позволившие наметить пути дальнейшего совершенствования этого типа сооружений. Проведенный анализ существующих конструкций поворотных сооружений позволил разработать основные требования к этим сооружениям для их дальнейшего совершенствования.
Ключевые слова: горно-предгорная зона, канал-быстроток, поворотное сооружение, бурный поток.
Введение
В Кыргызской Республике преобладающими являются оросительные системы открытого типа [1]. Большинство из них расположены в горнопредгорной зоне, отличительной особенностью которой являются сложность рельефа и большие уклоны местности. В таких условиях проводится строительство и использование длинных, до нескольких десятков километров, каналов-быстротоков, характеризующихся бурным, иногда сверхбурным течением потока [2]. Бурный режим течения воды в быстротечных каналах требует использования специфических конструкций сетевых, в т.ч. и поворотных, сооружений. Поскольку в горнопредгорной зоне трассы ирригационных каналов проходят в достаточно сложных условиях рельефа местности (сильно пересеченная топографическая поверхность, различная конфигурация массивов орошения и т.д.), каналы-быстротоки оснащаются множеством поворотных сооружений с углом поворота от 100 до 900 [3]. Анализ состояния и пути совершенствования этого типа гидротехнических сооружений является актуальной задачей на современном этапе использования ороситель-
ных систем в горно-предгорной зоне.
Объекты исследования
Объектами исследования являются поворотные сооружения на быстротечных каналах с бурным течением. Скорости воды в этих каналах превышают критические значения.
Сложность осуществления поворота потока воды в каналах с бурным режимом течения обусловила разработку различных конструкций поворотных сооружений, предназначенных для поворота бурного потока в открытом канале на заданный угол. Существующие конструкции поворотных сооружений на каналах-быстротоках можно классифицировать по наиболее характерным конструктивным признакам [3]:
- конструкции, обеспечивающие плавный поворот канала по заданному радиусу закругления;
- сооружения, в которых поворот потока осуществляется путем виражирования;
- конструкции, использующие в составе сооружения наклонные пороги.
На оросительных системах Кыргызской Республики широкое распространение получили повороты «по дуге круга», имеющие следующие недо-
© Аджыгулова Г. С., Атаманова О. В., 2015г
статки [3]:
- уменьшение пропускной способности на многих построенных сооружениях (особенно на каналах с уклонами дна 0,01 и более) на 20-50%;
- выплескивание воды за борт сооружения на вогнутом берегу канала;
- в канале за поворотом образуется сбойное течение, распространяемое на значительное расстояние и снижающее пропускную способность отводящего канала.
В условиях горно-предгорной зоны Кыргызской Республики, где массивы орошения имеют самую разнообразную (в т.ч. неправильную) конфигурацию, поворот каналов с бурным режимом течения рационально осуществлять по ломаной в плане линии, что придает земельным массивам необходимую форму, повышает коэффициент земельного использования.
Анализ результатов разработок и исследований поворотных сооружений
Вопросам разработок и исследований поворотных сооружений на быстротечных каналах посвящены работы Аджыгуловой Г.С. [4], Бейшекеева К.К. [3], Бочкарева Я.В. [5], Вагапова Р.И. [6], Голу-бенко В.М. [7], Голубенко М.И. [8, 9], Лаврова Н.П. [5], Сатаркулова С.С. [10, 11] и др.
К настоящему времени разработано значительное количество различных конструкций поворотных сооружений, осуществляющих поворот на 900.
В таблице приведены основные конструкции поворотных сооружений для каналов с бурным течением, их гидравлические характеристики, а также достоинства и недостатки. Каждый из перечисленных типов сооружений на быстротечных каналах имеет свои особенности и области применения.
Анализ данных таблицы позволяет отметить, что большинство сооружений на каналах-быстротоках используют в работе принцип гашения энергии бурного потока на повороте за счет деления потока по вертикали. В основе большинства конструкций имеет место донная траншея, что обосновывается принципом наименьшего вмешательства в бурный поток при его повороте.
Анализируя процесс поворота бурного потока на каналах с уклоном дна больше критического, видим, что высокоскоростной поток, наталкиваясь на препятствия в виде поворота, образует нестационарный гидравлический прыжок и, как следствие, пульсацию скоростей глубин и расходов воды за поворотом. Существующие конструкции поворотных сооружений частично гасят энергию бурного потока и путем использования направляющих элементов устраняют пульсационные явления в потоке за поворотом. При этом нами было выявлено, что большинство из разработанных конструкций поворотных сооружений не получили распространения на быстротечных каналах горно-
предгорной зоны из-за громоздкости конструкций и ограниченности области применения. Помимо этого существующие конструкции не обеспечивают борьбы с плавником и мусором в потоке, что сильно снижает пропускную способность сооружения.
Проведенный анализ поворотных сооружений на быстротечных каналах позволил обосновать необходимость их дальнейшего совершенствования с целью устранения недостатков существующих конструкций.
Заключение
Для полноты решения проблемы поворота бурного потока на каналах-быстротоках необходимо провести детальные теоретические исследования гидравлики процесса поворота бурного потока в открытом канале.
Необходимо тщательно проанализировать технологию поворота бурных потоков и наметить пути дальнейшего совершенствования поворотных сооружений с целью улучшения их эксплуатационных характеристик.
Проведенный анализ существующих конструкций поворотных сооружений показал, что необходимо создание новых усовершенствованных поворотных сооружений для каналов-быстротоков, которые должны отвечать следующим основным требованиям:
1. Обеспечивать поворот потока с различными степенями бурности без следующих явлений:
- выплескивания воды через борт вогнутого берега сооружения;
- образования сбойного течения воды в канале за поворотом;
- снижения пропускной способности сооружения.
2. Быть удобным в эксплуатации и надежным в работе.
3. Осуществлять поворот бурного потока под разными углами а<90°.
4. Обеспечивать простоту конструкции сооружения.
5. Сооружение не должно оказывать отрицательного влияния на гидравлическую структуру потока в подводящей части канала.
6. Поворотное сооружение должно обладать высокой пропускной способностью.
7. Сооружение должно обеспечивать проектные характеристики во всем заданном диапазоне области применения, полноценно функционировать как при бурном, так и при сверхбурном режиме течения потока.
Создание поворотных сооружений, отвечающих перечисленным требованиям, позволит повысить качество эксплуатации быстротечных каналов оросительных систем, будет способствовать водо- и ресурсосбережению в горно-предгорной аридной зоне.
аблица - Технические характеристики поворотных сооружений на каналах с бурным течением
Тип сооружения
Конструктивная схема
Условия применения
Основные характеристики
Достоинства
Недостатки
-0
р я
с;
е и
жен
у р
о
8
е о
н р
о
ш
о
1=
со
о р
го ■
а
о
ст> со сд г-со
1 - подводящий канал; 2 - отвод; 3 - скос;4 - полки; 5 - козырьки; 6 -разделительная стенка; 7 - поперечная галерея
Бурный режим течения, отсутствие катящихся волн в потоке, отсутствие в потоке влекомых наносов
Уклоны дна
г < 0,04 ;
скорости
1,0 < V <5,0 м/с;
расходы
£><12,0 мЧс
Простота конструкции и эксплуатации
Ограничение по расходам; уменьшение пропускной способности сооружения за счет налипания плавника и мусора на козырьки
I
о
со ^
р
о г
с е и н е
ж у
р о
8
е о н
тно р
о в о П
в
ё £
3 * ^
х в ые
тк
ые р
кш тй ое я Б
^ г
о
кв
§ i
й к ор
I £
£ ^ (5 О
1 - подводящий канал; 2 - отводящий канал; 3 - скос; 6 - разделительная стенка;7 - перекрытие; 8 - горизонтальная полка; 9 - поперечная галерея; 10 - продольная галерея
Бурный режим течения, отсутствие катящихся волн в потоке
Уклоны дна
скорости
1,0< и< 4,0 м/с;
расходы 0 < Ю50 м3/с
Гашение кинетической энергии потока
Продольные и поперечные галереи громоздкие и дорогие, а также затруднительная очистка галерей процессе эксплуатации
1 10 Э
7
я 4
л 2
д5
е и 8 4
н 2
жен 3 01 :^
у р в
о о о
8 л а к н
е о н н а е б
к у
тно р х ы т л лоГ
о в о ы р к
П тко
1 - подводящий канал; 2 - отводящий канал; 3 - разделительная стенка; 4,5 - камеры; 6 - наклонный участок; 7 - горизонтальная полка; 8 - донная прорезь; 9 - вертикальная стенка;10 - струенапрвляющее устройство; 11 - направляющие
Бурный режим течения, отсутствие катящихся волн в потоке
Уклоны дна
I = 0,005 -н
-5- 0,02; скорости
2,0 < у < 8,0 м/с; расходы
Размеры донного колодца значительно сокращены по длине канала. Гашение кинетической энергии потока
Размеры колодца увеличены по его ширине, делая её громоздкой и дорогой; затруднительная очистка сооружения от плавника и мусора
е
е р
е л
£5
с е и н
жен
у р
о о с
е о н
тно р
о в о П
в о
лук
хе ыБ
о
1 - подводящий канал; 2 - отводящий канал; 3 - скос; 4, 5 - козырьки; 6 -разделительная стенка; 7 - перекрытие; 8 - горизонтальная полка;
9 - поперечная галерея;
10 - продольная галерея
Бурный режим течения, отсутствие катящихся волн в потоке
Уклоны дна
¿ = 0,002-0,02;
скорости
1,0 < и< 7,0 м/с;
расходы
<2 <10,0 мъ Ус-
Удовлетворительное гашение избыточной энергии потока на повороте
Сложная конфигурация козырьков, громоздкие
галереи, не высокая пропускная способность
Технические науки
я
к
ч ш
1 о; ® «
с 10
^ у
о с?! 0 о. ^ <Я
го
X
* °
^ со о о
о
О СО О 1=
1 - подводящий канал; 2 - отводящий канал; 3 - горизонтальная полка; 4 -перекладина; 5 - винтовые направляю щие; 6 - ось; 7 - пластинка; 8 - рукоятка
Бурный режим течения, отсутствие катящихся волн в потоке
Уклоны дна
расходы
£><15,0 м3/с
Гашение избыточной
энергии потока при помощи диафрагмы
Сложность конструкции и эксплуатации; недостаточная надежность в работе
о о,
в 3
о °о
га
н
га 2
к 6 £ <
ен
ж
ур
о о с
ож не тон ре
рм оы вн о о.
а ^ б
Бурный режим течения, отсутствие катящихся волн в потоке
Уклоны дна
скорости
1,5 < и <8,0 м/с; расходы
Простота конструкции
1 - подводящий канал; 2 - отводящий канал; 3 - наклонный участок; 4 - криволинейная разделительная стенка; 5 - полка
Ограничение по расходам; необходимость устройства колодца значительных размеров на месте сооружения
18
Сов
е
ж ур
о о с е о н т
о р
о в о П
н
е
б у
л о
1 - подводящий лоток; 2 - монолитная
вставка; 3 - отводящий лоток; 4 - раз-
делительные стенки; 5 - перекрытие;
6 - камеры; 7 - регулируемая тяга;
8 - проходы
Бурный режим течения, отсутствие катящихся волн в потоке
Укпоны дна
скорости
1,0< и< 7,0 м/с;
расходы д< 25,0 м3/с
Поворот воды без устройства донного колодца
Ограничение области применения по углу поворота
Список литературы
1. Атаманова, О.В. Использование энерго- и водосберегающих технологий при водораспреде-лении из открытых оросительных каналов [Текст] / О.В. Атаманова // Теоретические и практические вопросы развития научной мысли в современном мире : сб. статей межд. научно-практической конф. - Уфа : Аэтерна, 2015. - С. 12-14.
2. Лавров, Н. П. Характеристика и особен-
ности водораспределительных сооружений оросительных систем горно-предгорной зоны [Текст] / Н. П. Лавров, О. В. Атаманова, К. К. Бейшекеев // Вестник Кыргызско-Российского Славянского университета.- 2006. - № 9. - Т. 6. - С. 108-111.
3. Бейшекеев, К. К. Гидротехнические сооружения оросительных систем горно-предгорной зоны [Текст] / К. К. Бейшекеев, С. С. Сатаркулов. - Бишкек : КНИИР, 2004. - 541с.
4. Аджыгулова, Г. С. Теоретическое обо- воротное сооружение для лотковых каналов с бур-снование применения поворотных сооружений с ным режимом течения [Текст] / М. И. Голубенко, резким поворотом потока в плане на каналах-бы- А. И. Александров (CCCP). - № 2387812/29-15 ; стротоках [Текст] / Г. С. Аджыгулова // Пути совер- заявл. 14.07.76 ; опубл. 05.01.79, Бюл. № 1. - 2 с.: шенствования систем гидроавтоматики в мелио- ил.
рации : сб. науч. тр. - Бишкек : Кирг СХИ, 1995. 9. А. с. 1168663 СССР, МКИ Е 02 В 13/00.
- С.33-45. Поворотное сооружение для каналов с бурным
5. Бочкарев, Я. В. Гидротехнические соору- режимом течения [Текст] / М. И. Голубенко, А. В. жения на каналах-быстротоках со сверхбурным Есиков, В. Б. Барбаков (CCCP). - № 2758565/29-15 течением [Текст] : учеб. пособ. / Я. В. Бочкарев, Н. ; заявл. 26.04.79 ; опубл. 23.07.85, Бюл. № 27. - 1 П. Лавров. - Бишкек : Кирг. СХИ, 1991. - 116 с. с.: ил.
6. Вагапов Р. И. Расчет поворотов с плоским 10. А. с. 918391 СССР, МКИ Е 02 В 13/00. По-дном при бурном режиме течения [Текст] / Р. И. Ва- воротное сооружение для каналов с бурным режи-гапов // Гидротехника и мелиорация. - 1978. - № мом течения [Текст] / С. Сатаркулов, К. К. Бейше-2. - С. 10-16. кеев (СССР). - № 2973892/29-15 ; заявл. 04.06.80 ;
7. Пат. 2485247 Российская Федерация, опубл. 07.04.82, Бюл. № 13. - 2 с.: ил.
МПК E 02 B13/00. Поворотное сооружение для 11. А. с. 1167269 СССР, МКИ Е 02 В 13/00.
открытых каналов [Текст] / Голубенко В.М. - № Поворотное сооружение для открытых каналов
2012102437/13 ; заявл. 24.01.12 ; опубл. 20.06.13, [Текст] / С. Сатаркулов, К.К. Бейшекеев (СССР). -
Бюл. № 17. - 4 с.: ил. № 3394469/29-15 ; заявл. 11.12.81; опубл. 15.07.85,
8. А. с. 641028 СССР, МКИ Е 02 В 13/00. По- Бюл. № 26. - 1 с.: ил.
ANFLYSIS OF THE TURN-OVER STRUCTURES FOR THE CHANNEL-CHUTES IN THE MOUNTAIN-FOOTHILL ZONE
Adzhygulova Gulmira S, candidate of technical sciences, doctoral student of department "Hydraulic Engineering and Water Resources", the Kyrgyz-Russian Slavic University, gulmira_999@mail.ru
Atamanova Olga V., Professor, doctor of technical sciences, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov, O_V_Atamanova@mail.ru
Literatura
1. Atamanova, O.V. Ispol'zovanie ehnergo- i vodosberegayushchih tekhnologij pri vodoraspredelenii iz otkrytyh orositel'nyh kanalov [Tekst] /O.V. Atamanova // Teoreticheskie i prakticheskie voprosy razvitiya nauchnoj mysli v sovremennom mire: Sb. statej mezhd. nauchno-prakticheskoj konf. - Ufa: Aehterna, 2015. -S. 12-14.
2. Lavrov, N.P. Harakteristika i osobennosti vodoraspredelitel'nyh sooruzhenij orositel'nyh sistem gorno-predgornoj zony [Tekst]/N.P. Lavrov, O.V. Atamanova, K.K. Bejshekeev//Vestnik Kyr-gyzsko-Rossijskogo Slavyanskogo universiteta. Tom 6. - 2006. - № 9. S. 108-111.
3. Bejshekeev, K.K. Gidrotekhnicheskie sooruzheniya orositel'nyh sistem gorno-predgornoj zony [Tekst] / S.S. Satarkulov, K.K. Bejshekeev. - Bishkek: KNIIR, 2004. - 541s.
4. Adzhygulova, G.S. Teoreticheskoe obosnovanie primeneniya povorotnyh sooruzhenij s rezkim po-vorotom potoka vplane na kanalah-bystrotokah [Tekst]/G.S. Adzhygulova //Puti sovershenstvovaniya sistem gidroavtomatiki v melioracii: Sb. nauch. tr. - Bishkek: Kirg SKHI, 1995. - S.33-45.
5. Bochkarev, YA.V. Gidrotekhnicheskie sooruzheniya na kanalah-bystrotokah so sverhburnym techeniem[Tekst]: Ucheb. posobie/YA.V. Bochkarev, N.P. Lavrov. - Bishkek: Kirg. SKHI, 1991. - 116 s.
6. Vagapov R.I. Raschetpovorotov sploskim dnom priburnomrezhime techeniya [Tekst]/R.I. Va-gapov // Gidrotekhnika i melioraciya. - № 2, 1978. - S. 10-16.
7. Pat. 2485247 Rossijskaya Federaciya, MPK E 02 B13/00. Povorotnoe sooruzhenie dlya otkrytyh kanalov [Tekst] / Golubenko V.M. - № 2012102437/13; zayavl. 24.01.12; opubl. 20.06.13, Byul. № 17. - 4 s.: il.
8. A. s. 641028 SSSR, MKI E 02 V 13/00. Povorotnoe sooruzhenie dlya lotkovyh kanalov s burnym rezhimom techeniya [Tekst]/M.I. Golubenko, A.I. Aleksandrov (CCCR). - № 2387812/29-15; zayavl. 14.07.76; opubl. 05.01.79, Byul. № 1. - 2 s.: il.
9. A. s. 1168663 SSSR, MKI E 02 V 13/00. Povorotnoe sooruzhenie dlya kanalov s burnym rezhimom techeniya [Tekst] / M.I. Golubenko, A.V. Esikov, V.B. Barbakov (CCCR). - № 2758565/29-15; zayavl. 26.04.79; opubl. 23.07.85, Byul. № 27. - 1 s.: il.
10. A. s. 918391 SSSR, MKI E 02 V 13/00. Povorotnoe sooruzhenie dlya kanalov s burnym rezhimom techeniya [Tekst] / S. Satarkulov, K.K. Bejshekeev (CCCR). - № 2973892/29-15; zayavl. 04.06.80; opubl. 07.04.82, Byul. № 13. - 2 s.: il.
11. A. s. 1167269 SSSR, MKI E 02 V 13/00. Povorotnoe sooruzhenie dlya otkrytyh kanalov [Tekst] / S. Satarkulov, K.K. Bejshekeev (CCCR). - № 3394469/29-15; zayavl. 11.12.81; opubl. 15.07.85, Byul. № 26. - 1 s.: il.
